電控柴油機分缸均衡控制算法及試驗

李學民，劉羽飛，張寧，苗玉松，馬修真，于秀敏

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2.吉林大學汽車工程學院，吉林長春130001）

電控柴油機分缸均衡控制算法及試驗

李學民1，劉羽飛1，張寧1，苗玉松1，馬修真1，于秀敏2

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2.吉林大學汽車工程學院，吉林長春130001）

柴油機各個氣缸的進氣量、噴油量、燃燒等存在差異，導致氣缸間存在做功差異，直接影響柴油機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性以及排放性能等。針對位置式電控柴油機，采用PI閉環(huán)控制，通過瞬時轉(zhuǎn)速信號識別并計算各缸的工作差異，利用分缸均衡控制算法對油量進行補償修正。試驗結(jié)果顯示低轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)速波動由7 r／min降至3 r／min，各缸工作不均勻度由±5 r／min降至±2 r／min，在瞬態(tài)過程和高轉(zhuǎn)速3 400 r／min時該算法仍然適用有效。

電控柴油機；分缸均衡控制；算法；瞬態(tài)；高速；試驗

在汽油機和柴油機中各個氣缸工作不均勻是普遍存在的，對轉(zhuǎn)速波動甚至經(jīng)濟性和排放性都會產(chǎn)生不利影響［1?3］，采用分缸均衡控制技術(shù)是消除多缸柴油機各缸工作差異性的有效措施。在汽油機上將扭矩作為反饋信號，以點火提前角和油量補償方法對各缸實施平衡控制，可以將多缸機的各缸轉(zhuǎn)矩控制在較均衡的水平［4?5］；在柴油機上采用分缸控制，通過模型仿真計算，可以將柴油機的扭振降低90%以上［6?9］，在第二代時間式電控柴油機上進行的分缸均衡控制試驗表明，柴油機排放性能得到了較大改善［10?12］。

在柴油機的分缸控制方面，對于時間控制式電控柴油機來說，每個氣缸的噴油執(zhí)行機構(gòu)都是獨立可控的，分缸控制較易實現(xiàn)［13］，而位置控制式電控柴油機通常都是多個氣缸共用一個高壓油泵，用油泵供油機構(gòu)的位置來不斷控制各個氣缸的精準噴油量，因此分缸控制較難實現(xiàn)。作者曾采用分缸控制技術(shù)實現(xiàn)了位置控制式多缸電控柴油機怠速工況下的分缸控制，取得了較好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定效果［14］。

上述文獻的分缸均衡控制研究基本上停留在發(fā)動機怠速工況，而發(fā)動機的實際運行工況還包括加減速瞬態(tài)工況和高轉(zhuǎn)速運行工況，這2個工況存在轉(zhuǎn)速信號分析和處理以及算法的實時響應(yīng)問題，因此將重點介紹分缸均衡控制在位置式電控柴油機高速及過渡工況下的應(yīng)用試驗情況。

1 試驗條件

試驗用柴油機參數(shù)如下：缸數(shù)×缸徑×行程為4× 98 mm×105 mm，功率為66 kW／3 400r·min-1，最大扭矩為210 N·m／2 000 r·min-1。

燃油系統(tǒng)采用位置式電控VE泵，電控系統(tǒng)自行設(shè)計開發(fā)，標定系統(tǒng)通過CAN總線協(xié)議可以在PC機上對電控系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)和數(shù)據(jù)進行修改和標定。為適應(yīng)在高轉(zhuǎn)速下工作，電控系統(tǒng)將雙ECU工作方式調(diào)整為單ECU，以提高其控制輸出的響應(yīng)特性。系統(tǒng)及臺架組成如圖1所示。

圖1 試驗臺架布置圖Fig.1 Arrangement of test bench

2 各缸工作不均勻特征

圖2為采用常規(guī)控制方法，在柴油機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時利用標定系統(tǒng)監(jiān)測的轉(zhuǎn)速曲線。該轉(zhuǎn)速曲線的特點是，通過判缸傳感器，以氣缸工作周期為單位繪制，圖中可以清晰看到整個轉(zhuǎn)速曲線是以4個氣缸為周期的有規(guī)律曲線，且轉(zhuǎn)速為瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。

圖2 柴油機轉(zhuǎn)速曲線Fig.2 Speed curve of diesel engine

另外，從上圖可以看到，第2個著火氣缸（按照1-3-4-2發(fā)火次序，實際為第3缸）轉(zhuǎn)速在每個工作周期都低于其他3缸轉(zhuǎn)速。這說明系統(tǒng)在控制過程中，油量的計算和修正是參照上一個氣缸或上幾個氣缸的工作情況及轉(zhuǎn)速效果來進行調(diào)整的，沒有考慮到氣缸個體的差異，從而造成了氣缸工作不均勻的現(xiàn)象，如果不采取控制補償措施，則這種轉(zhuǎn)速波動情況將持續(xù)存在。

由此可以推斷：1）整個柴油機的轉(zhuǎn)速輸出是不均勻的；2）這種不均勻性是以氣缸為單位有規(guī)律變化的；3）這樣有規(guī)律的轉(zhuǎn)速波動是因為氣缸之間存在性能參數(shù)的差異而導致的。因此，分缸均衡控制的實質(zhì)是通過測量各缸燃燒的不均勻性，計算并調(diào)節(jié)各缸噴油量，補償各缸工作偏差，從而減小各缸差異造成的轉(zhuǎn)速波動。

3 分缸控制算法

3.1 判缸信號的確定

分缸控制需要正確識別每個氣缸，從而對其進行工作狀況的監(jiān)測，為分缸控制提供依據(jù)。通過第1缸噴油器針閥升程信號和轉(zhuǎn)速信號可以實現(xiàn)判缸。針閥升程傳感器能檢測到第1缸的噴油時刻，對應(yīng)到第1缸的燃燒做功期，依次通過轉(zhuǎn)速傳感器就可以判斷每個轉(zhuǎn)速信號所對應(yīng)的氣缸工作狀態(tài)以及其他的缸號。針閥升程傳感器的引用，為正確識別每個氣缸的序號提供了最直接而可靠的依據(jù)，在軟件和硬件對轉(zhuǎn)速信號進行有效濾噪的同時，即使偶然出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)速信號干擾，缸號也會在針閥升程傳感器的矯正下在一個工作循環(huán)內(nèi)得到正確恢復，從而可以保證分缸控制的持續(xù)工作。在轉(zhuǎn)速信號中，將一個工作循環(huán)用8個轉(zhuǎn)速點來表示，對應(yīng)著n1，n2……n8。n2和n3對應(yīng)一缸的上升段和下降段，同理，n4和n5對應(yīng)3缸，n6和n7對應(yīng)四缸，n8和n1對應(yīng)第2缸的上升段和下降段。

3.2 氣缸工作均勻性測量

柴油機各個氣缸的工作差異主要由噴油系統(tǒng)差異（如噴油量的不均）、燃燒系統(tǒng)差異（缸內(nèi)燃燒條件差異）、進氣系統(tǒng)差異（如進排氣門相位差異、間隙差異、進氣量差異等），這些差異最終都體現(xiàn)在燃燒做功輸出差異。要實現(xiàn)柴油機的分缸控制，首先需要進行氣缸的工作情況判別，從而為各缸的油量補償計算提供依據(jù)。對于本實驗來說，在飛輪上安裝4個轉(zhuǎn)速信號，即可測得間隔90°CA的柴油機瞬時轉(zhuǎn)速，而單個氣缸的工作狀況表現(xiàn)就可以通過180°CA間的曲軸轉(zhuǎn)速來衡量［15］。

從圖1實測的轉(zhuǎn)速曲線上可以看到，單個氣缸的工作轉(zhuǎn)速分為上升段和下降段，上升段時該氣缸處于燃燒做功初期，其所做正功大于其他氣缸的壓縮負功和機械損失功，柴油機呈加速狀態(tài)，其加速能力由該氣缸的做功能力決定；下降段時氣缸處于燃燒做功后期，所做正功無法平衡其他氣缸的壓縮負功和機械損失功，柴油機的轉(zhuǎn)速呈減速狀態(tài)。

將每個氣缸燃燒做功時轉(zhuǎn)速上升段作為衡量各缸工作的差異尺度，即每個氣缸的加速貢獻，在轉(zhuǎn)速曲線上表現(xiàn)為波峰與前一波谷之間的差值，用Δni＝nknk-1（i＝1，2，3，4，k＝2i）公式計算，nk對應(yīng)柴油機一個工作循環(huán)的8個即時轉(zhuǎn)速。4個氣缸的平均加速貢獻用Δn-＝（Δn1+Δn2+Δn3+Δn4）／4計算。

各個氣缸燃燒工作情況的好壞評價用Δξi＝Δni-Δn-（i＝1，2，3，4）來計算，即各缸的工作不均勻度，并以此作為各缸油量修正的根據(jù)。

3.3 分缸均衡控制具體算法

分缸控制后，仍然采用PI控制算法，油量的補償實際上是控制脈寬的修正，控制脈寬的大小與實際的供油量成正比，控制脈寬通過以下算式來計算：

M＝M（0）-KP1（ni-n-

（i-1））-KI1（nk-n0）Mr＝M-KP（Δnj-Δnj（0））-KI·Δξj（j＝i+2）式中：M為不分缸控制的PI控制器調(diào)整后脈寬，M（0）為上個氣缸工作的控制脈寬，Mr為分缸控制修正后的控制脈寬，ni為第i缸的平均轉(zhuǎn)速，n-（i-1）為第i-1缸的平均轉(zhuǎn)速，n0為目標轉(zhuǎn)速，Δnj為第j缸在此循環(huán)的加速貢獻，Δnj（0）為第j缸在上個循環(huán)的加速貢獻，Δξj為第j缸的不均勻程度，KP1為正常油量調(diào)整PI控制器的比例系數(shù)，KI1為正常油量調(diào)整PI控制器的積分系數(shù)，KP為油量修正PI控制器的比例系數(shù)，KI為油量修正PI控制器的積分系數(shù)。

4 試驗驗證

4.1 有效性試驗

圖3和圖4分別為柴油機采用不分缸控制和分缸均衡控制的轉(zhuǎn)速波動對比曲線。采用分缸均衡控制后，通過各缸控制脈寬的補償調(diào)整，即時轉(zhuǎn)速已無明顯的周期性變化，達到了消除各缸工作差異的目的，平均轉(zhuǎn)速（180°CA計算間隔）波動較小，轉(zhuǎn)速波動（峰峰值）由7 r／min減小至3 r／min。

圖3 不分缸控制轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Speed curve without cylinder balancing control

圖4 分缸控制轉(zhuǎn)速曲線Fig.4 Speed curve of cylinder balancing control

圖5 用曲線記錄了開始進行分缸控制后，各個氣缸的加速貢獻變化歷程曲線。經(jīng)歷了大概30個工作循環(huán)左右，各缸的工作差異經(jīng)過控制算法修正趨于一致。

圖5 各缸加速貢獻曲線Fig.5 Each cylinder accelerating contribution curve

圖6 用曲線表示了各個氣缸間工作不均勻程度變化歷程曲線，經(jīng)歷了30個工作循環(huán)（總的工作氣缸數(shù)為120個，每個完整工作循環(huán)包括4個氣缸工作），氣缸間的工作不均勻度基本得到消除，各缸工作不均勻度由最大的±5 r／min減小至±2 r／min。

圖6 各缸工作不均勻度曲線Fig.6 Difference degree curve of each cylinder working

4.2 油量修正限值優(yōu)化

在分缸控制算法中，氣缸的工作不均勻程度越大，其油量的修正就越大。但油量調(diào)整不能無限大，防止因誤算或其他因素導致油量大幅修正帶來的轉(zhuǎn)速大幅波動，因此需要對各缸的修正油量進行限制。圖7～10為不同的修正脈寬限值時轉(zhuǎn)速及不均勻度曲線。

圖7 修正限值為10的試驗結(jié)果Fig.7 Adjustment limit of the test results of 10

圖8 修正限值為30的試驗結(jié)果Fig.8 Adjustment limit of the test results of 30

圖9 修正限值為50的試驗結(jié)果Fig.9 Adjustment limit of the test results of 50

圖10 修正限值為70的試驗結(jié)果Fig.10 Adjustment limit of the test results of 70

試驗結(jié)果表明，修正的脈寬限值太小，各缸工作不均勻程度不能完全消除，就本系統(tǒng)而言，脈寬修正限值為50時，可以將柴油機自身存在的不均勻程度降低到最小，再大的限值已無明顯效果。對于柴油機機型，此限值應(yīng)進行試驗標定。

4.3 瞬態(tài)及高速工況試驗驗證

上述試驗是在低速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時通過開關(guān)來實現(xiàn)是否采用分缸控制。為了驗證在其他工況分缸均衡控制算法的可行性，首先進行了減速情況下瞬態(tài)分缸均衡控制試驗。圖11和圖12分別表示了穩(wěn)態(tài)工況（設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min）下和減速工況（1 400 r／min～ 1 500 r／min）下的轉(zhuǎn)速和控制脈寬曲線圖。

圖11 穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速及控制脈寬曲線Fig.11 Curve of speed and control pulse width in steady condition

圖12 減速過程轉(zhuǎn)速及控制脈寬曲線Fig.12 Curve of speed and control pulse width in re?ducing speed process

從圖中可以看到，穩(wěn)態(tài)時油量修正主要針對3缸（在1缸工作時輸出控制信號），3缸的控制脈寬明顯高于其他各缸。減速過程中，系統(tǒng)對各個氣缸的工作均勻性仍然跟蹤計算，并進行油量修正，油量修正的對象仍始終主要針對3缸，而且各個氣缸的瞬時轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)較均勻狀態(tài)?？梢姡瑴p速瞬態(tài)過程并沒有干擾系統(tǒng)對各缸工作不均勻度的識別，這說明，該算法在瞬態(tài)過程中是適用的。

高速工況下的試驗主要是為了驗證該算法在高速時的實時響應(yīng)特性。圖13為轉(zhuǎn)速3 400 r／min時的試驗曲線。試驗結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速下該算法仍然適用有效，通過油量的分缸調(diào)整，轉(zhuǎn)速實現(xiàn)了穩(wěn)定控制。圖11和圖13在部分區(qū)域轉(zhuǎn)速仍有波動，主要是由于高壓油泵在每個循環(huán)噴射油量的不穩(wěn)定性以及循環(huán)燃燒波動等因素造成，而且這種不穩(wěn)定性具有隨機特點，分缸均衡控制對這種隨機性原因造成的轉(zhuǎn)速波動難以預測和控制。但就其在柴油機各工況下的試驗表現(xiàn)而言，該分缸均衡控制算法能夠應(yīng)用到柴油機的實時控制中。

圖13 高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速及控制脈寬曲線Fig.13 Curve of speed and control pulse width in high speed condition

5 結(jié)論

1）通過瞬時轉(zhuǎn)速、加速貢獻及各缸不均勻度的測量計算及對單缸油量修正等手段可以對柴油機實施分缸均衡控制。

2）利用轉(zhuǎn)速進行氣缸工作不均勻程度計算并應(yīng)用分缸均衡控制，可以有效降低柴油機的轉(zhuǎn)速波動。

3）文中所述的分缸均衡控制方法經(jīng)過試驗驗證不但可以應(yīng)用在低速穩(wěn)定工況，還可以應(yīng)用在瞬態(tài)過渡過程及高速工況。

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Algorithm and test of cylinder?by?cylinder balanced control in a electronically controlled diesel engine

LI Xuemin1，LIU Yufei1，ZHANG Ning1，MIAO Yusong1，MA Xiuzhen1，YU Xiumin2
（1.School of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.College of Automobile Engi?neering，Jilin University，Changchun 130001，China）

The differences of air inflow，oil injection and combustion produce working differences among the cylin?ders，which directly affect the speed stability and emission performance of the diesel engine.In this paper，based on PI closed?loop control over the position controlled diesel engine，the difference of work contributions to cylinders was identified and calculated with the transient speed signal.The oil mass was also adjusted by a cylinder?by?cylin?der balanced control algorithm.Test results showed that the speed wave is reduced to 3 r／min from 7 r／min on steady and low?speed condition.The differences of working cylinders reduce to±2 r／min from±5 r／min and the al?gorithm adapts to transient situation in addition to 3 400 r／min high speed situation.

electronically controlled diesel engine；cylinder?by?cylinder balanced control；algorithm；transient state；high speed；test

10.3969／j.issn.1006?7043.201310084

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006?7043.201310084.html

TK421

A

1006?7043（2015）02?0161?05

2013?10?28.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014?11?27.基金項目：國家自然科學基金資助項目（51305089）.

李學民（1972?），男，研究員.

李學民，E?mail：lxm＠hrbeu.edu.cn.